基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建凍土測溫系統(tǒng)

王曉寧

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,200070,上?！喂こ處?

針對哈大鐵路客運專線的實際情況,為緩解施工周期短、工期要求緊的矛盾,必須制定相應的冬期施工質(zhì)量保證措施,延長施工周期。從保證混凝土工程全面質(zhì)量出發(fā),對施工過程以及環(huán)境溫度變化進行溫度監(jiān)測是非常重要的。本文以冬期施工鉆孔灌注樁混凝土溫度測試研究為背景,為了解土壤溫度變化情況,利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了凍土測溫系統(tǒng),并利用該測溫系統(tǒng)對不同深度的土壤溫度的變化情況進行了整個冬季的連續(xù)觀測。

1 測溫系統(tǒng)原理

從原理上講,測溫儀器基本上由傳感器、測溫電路、數(shù)據(jù)顯示或記錄三部分組成。傳統(tǒng)的測溫儀器為節(jié)約成本,僅提供數(shù)據(jù)顯示,測溫時必須手工記錄溫度數(shù)據(jù)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,虛擬儀器技術(shù)正成為測量與控制領(lǐng)域的重要應用工具。虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計算機技術(shù)綜合集成的產(chǎn)物,通過虛擬儀器應用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結(jié)合起來,從而實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的軟件化與模塊化,以達到自動測試與分析的目的,并能實現(xiàn)高速、實時、無人值守的數(shù)據(jù)采集及記錄。

正是由于虛擬儀器在測量和測試方面的巨大優(yōu)勢,因此采用先進的虛擬儀器技術(shù)來搭建簡便高效的測溫系統(tǒng)。在該測溫系統(tǒng)中,選用Pt100熱敏鉑電阻作為溫度傳感器,選用研華的ADAM-4015作為溫度采集模塊,選用研華的ADAM-4561作為數(shù)據(jù)傳輸通信模塊;采用美國國家儀器公司的圖形化編程軟件Labview 8.6,利用OPC Server作為數(shù)據(jù)交換服務軟件,配以高性能的計算機,實現(xiàn)溫度的自動采集和自動記錄,并以數(shù)字或溫度曲線等多種方式進行數(shù)據(jù)顯示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,測試精度高,溫度測試通道可隨意擴展,充分利用了虛擬儀器在數(shù)據(jù)采集、分析、存儲方面的優(yōu)點,具有較強的實用性。

整個溫度測試系統(tǒng)的原理如圖1所示,由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括Pt100熱敏鉑電阻溫度傳感器,研華的ADAM-4015溫度采集模塊和研華的ADAM-4561(USB to 232/485串行通信模塊)。軟件部分采用美國NI公司的Labview虛擬儀器軟件平臺,通過OPC Server完成對溫度信號的采集、數(shù)據(jù)分析和顯示。本系統(tǒng)結(jié)果顯示形象直觀,操作方便,并且通過修改軟件還可以容易地擴展功能。

圖1 溫度測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)

2.1 溫度傳感器的選擇

溫度傳感器選用Pt100熱敏鉑電阻,其在0℃時具有100 Ω的標準阻值,且電阻值隨溫度的變化而變化。這樣,通過測量電阻值就可以反映出熱敏電阻所在位置的溫度及變化。電阻的測量主要有如下兩種:(1)直接測量法——采用電橋電路直接測量電阻值,目前常采用三線或四線連接法。商用測溫儀采用的就是這種方法。(2)間接測量法——先直接測量熱敏電阻兩端的電壓和流過它的電流,再根據(jù)歐姆定律算出熱敏電阻的阻值。本系統(tǒng)利用研華的ADAM-4015溫度采集模塊的功能,采用的是直接測量法。

根據(jù)測試的需要,在土壤中不同深度處埋設(shè)Pt100熱敏鉑電阻溫度傳感器,用以觀測不同深度處土壤溫度隨時間的變化情況。溫度傳感器埋設(shè)布置圖如圖2所示。

圖2 土壤溫度測試傳感器布置圖

2.2 溫度信號采集模塊

溫度信號采集選用研華的ADAM-4015熱電阻測量模塊。它是16位A/D、6通道的熱電阻輸入測量模塊,可以采集二線制和三線制熱電阻輸入信號。它為所有通道都提供了可編程的輸入范圍,同時具有斷線檢測功能。模塊在出廠時均經(jīng)過校準,一般不需用戶再進行校準。與上位機采用 RS-485通信,通信協(xié)議既支持研華的ASCII協(xié)議,也支持Modbus協(xié)議。本系統(tǒng)采用 Modbus通信協(xié)議與OPC Server進行數(shù)據(jù)通信。該模塊的波特率可在1 200,2 400,4 800,9 600,19 200,38 400,57 600,115 200中選擇,傳輸距離為1 200 m;信號光電隔離,隔離電壓大于2 500 V;具有過壓、過流、突波、隔離、雷擊保護功能;使用 10～30 V直流電源;電源功耗為1.5 W;具有數(shù)據(jù)CRC(循環(huán)冗余檢驗)校驗能力;具有看門狗電路。其外形和接口如圖3所示。

圖3 研華ADAM-4015熱電阻輸入模塊示意圖

ADAM-4015熱電阻輸入模塊主要性能指標如下:

1)通道——六通道差分輸入;

2)熱電阻類型——Pt100,Pt1000,BALCO 500,Ni;

3)溫度范圍(Pt100)——-50～150 ℃,0～100℃,0～200℃,0～400℃,-200～200℃;

4)IEC RTD — —100 Ω(a=0.003 85)JIS RTD 100 Ω(a=0.003 92);

5)采樣速率——10采樣點/s(所有通道);

6)輸入阻抗——10 M Ω;

7)精度——±0.1%或更高。

本測溫系統(tǒng)中,ADAM-4015熱電阻輸入模塊與溫度傳感器(Pt100熱敏鉑電阻)的連接采用三線制,如圖4所示。

圖4 ADAM-4015三線制熱電阻接線方法

ADAM-4015熱電阻輸入模塊同上位機和通信模塊的連接控制線如圖5所示。

圖5 ADAM-4015模塊通信連接控制接線圖

2.3 溫度數(shù)據(jù)傳輸通信模塊

ADAM-4561是一款隔離端口轉(zhuǎn)換器,可以讓PC用戶將串行設(shè)備連接到使用 USB接口的系統(tǒng)中。將ADAM-4561連接到PC后,無須再打開機箱或關(guān)掉PC電源來安裝集線器,可立即得到一個或兩個額外的高速RS-232/422/485端口。ADAM-4561的電源來自USB端口,無須使用電源適配器。其外形和接口如圖6所示。

ADAM-4561通信模塊主要性能指標如下:

1)與USB v1.1規(guī)格完全兼容;

2)支持RS-232/422/485端口;

3)傳輸速率可達115.2 kbit/s;

4)提供DC 3000 V隔離保護;

5)自動RS-485數(shù)據(jù)流控制;

6)無須外部電壓,集線器即可從 USB端口驅(qū)動;

7)驅(qū)動程序支持Widows 98/ME/2000/XP,Linux;

8)即插即用;

9)無須額外的IRQ或I/O端口;

10)支持熱插拔功能。

圖6 研華ADAM-4561通信模塊示意圖

3 軟件系統(tǒng)

在測溫系統(tǒng)的硬件確定后,系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來實現(xiàn)。軟件正是虛擬儀器測試技術(shù)的核心。Labview是由美國國家儀器公司(NI)開發(fā)的、優(yōu)秀的圖形化編程開發(fā)平臺,是目前應用范圍最廣、功能最為強大的虛擬儀器開發(fā)平臺。它是一種具有創(chuàng)新性的圖形化編程軟件,突破了基于文本的傳統(tǒng)高級語言的框架,使編寫測控程序變得直觀、方便和高效。因此采用Labview開發(fā)了整個溫度測試系統(tǒng),以Labview 8.6為編程開發(fā)平臺。為增加軟件的靈活性和提高軟件的整體效率,程序本身采用了如下幾方面的技術(shù)。

1)模塊化設(shè)計:在該軟件中,系統(tǒng)分4個模塊,即文件配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存盤。

2)多線程技術(shù):系統(tǒng)由文件操作以及數(shù)據(jù)的采集與分析子系統(tǒng)兩個相對獨立的子系統(tǒng)組成。文件操作子系統(tǒng)包括文件的打開、寫入文件數(shù)據(jù)、關(guān)閉文件。數(shù)據(jù)采集與分析子系統(tǒng)包括:(1)OPC Server通信設(shè)置;(2)采集通道配置的設(shè)置;(3)溫度數(shù)據(jù)的采集;(4)溫度的實時顯示;(5)關(guān)閉測量任務,清除資源。

由于編程的高度靈活性,該系統(tǒng)被設(shè)計為自動采集和自動記錄,無須人工監(jiān)測。圖7為程序的前面板,圖8為程序的后面板。觀測者設(shè)定好“采樣保存間隔時間”,程序運行后,系統(tǒng)會每經(jīng)歷一個時間間隔就進行一次采樣,送到“溫度實時趨勢圖”中去顯示,并自動把溫度數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中。

圖7 測溫系統(tǒng)程序前面板

圖8 測溫系統(tǒng)程序后面板

4 實際應用結(jié)果

該系統(tǒng)于2008年11月底開始,在哈大鐵路客運專線進行了現(xiàn)場應用,2008年11月底至2009年2月份期間觀測的土壤溫度變化數(shù)據(jù)見表1所示。測試結(jié)果表明,該測溫系統(tǒng)性能可靠,達到了預期的目的。

表1 土壤溫度變化數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語

從上述軟硬件系統(tǒng)及測量結(jié)果可以看出,以計算機為主控單元、利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的凍土測溫系統(tǒng),具有硬件設(shè)計十分簡單、經(jīng)濟實用、抗干擾性強、可靠性高,以及軟件設(shè)計界面友好、編程靈活等特點。通過虛擬儀器技術(shù)將計算機硬件、軟件,儀器技術(shù),計算機通信技術(shù)完美的結(jié)合,實現(xiàn)了自動數(shù)據(jù)采集、分析、記錄的目的,具有較強的實用性。

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